Tientallen procenten aan besparingen: over het potentieel van Digital Twins en het belang van hydraulica in grote HVAC-installaties

Naarmate de klimaattoestand nijpender wordt en de nood aan beslissende actie steeds dringender, schieten, onder impuls van de Green Deal en het algemeen wetgevend kader dat hieruit ontstaat, allerhande duurzaamheidsinitiatieven links en rechts als paddenstoelen uit de grond. Daarbij wordt logischerwijs vaak eerst op een aantal quick wins gefocust die weinig investering vergen of geen fundamentele keuzes vereisen, zoals bijvoorbeeld duurzamere vormen van verlichting of de verwarming een graadje lager zetten. Maar wat na dat laaghangend fruit, wanneer het gaat om beslissingen in complexe en kostelijke aangelegenheden met mogelijk verreikende gevolgen – denk bijvoorbeeld aan de verwarming en koeling van grote gebouwen als scholen, ziekenhuizen, kantoorpanden en publieke instellingen?

Daar bestaat namelijk een steeds groter wordend gamma aan verschillende technologische oplossingen en geïntegreerde opties: warmtekrachtkoppelingen, warmtepompen, warmtenetten… Die waaier aan opties kan ervoor zorgen dat door de bomen op den duur het bos niet meer te zien is. Daarnaast is de concrete impact van bepaalde maatregelen niet altijd even eenvoudig in te schatten, terwijl de uitdaging wel steeds dezelfde blijft: de CO₂-uitstoot zo sterk mogelijk reduceren en tegelijk de kosten onder controle houden.

De toenemende complexiteit aan oplossingen en opties maakt een correct hydraulisch design, integratie en afstelling van HVAC-installaties er bovendien niet eenvoudiger op. Die zaken zijn nochtans cruciaal voor het efficiënt functioneren, zeker bij grote installaties.

“Naarmate koel- en verwarmingssystemen complexer worden, met diverse warmtebronnen naast elkaar, neemt ook het belang van een adequaat hydraulisch ontwerp en regelstrategie toe. Zo merken we zelfs bij gevestigde technologieën als warmtekrachtkoppelingen dat het hydraulisch design en de regelstrategie van installaties er vaak voor zorgen dat ze suboptimaal presteren, met tientallen procenten aan efficiëntieverlies tot gevolg. Dat is de zogenaamde ‘performance gap’ of prestatiekloof”, stelt dr. ir. Roel Vandenbulcke, oprichter en CEO van Hysopt. “Het verlagen van de werkingstemperatuur, bijvoorbeeld, is niet louter een kwestie van gasboilers te vervangen door warmtepompen, maar iets waar al in de plannings- en ontwerpfase over nagedacht moet worden.”

Het is in die ontwerpfase dat digital twins het verschil kunnen maken. Die digitale tweelingen zijn virtuele replica’s van een fysiek systeem, in dit geval een volledige HVAC-installatie of warmtenet (waarbij meerdere gebouwen of campussen afhankelijk zijn van eenzelfde bron) in een digitaal model. Hoewel het concept van een digital twin niet nieuw is, krijgt de technologie pas recent meer tractie, dankzij de versnelde digitalisering en de opkomst van het Internet of Things (IoT).

Specifiek in het geval van HVAC-installaties gaat zo’n digital twin kijken naar fundamentele wetmatigheden uit de fysica om te begrijpen hoe een ontwerp zal presteren. Zo kan gesimuleerd worden hoe een ontwerp of systeem het ‘in het echt’ zal doen. Dit biedt significante voordelen en laat met name toe om in te schatten hoe meervoudige, complexe oplossingen zullen presteren, zowel qua verbruik als uitstoot, over verschillende gebouwen, elk met hun eigen hittevraag, bezettingsgraad en distributietechnologie.

“Kort samengevat: een digitaal model van een HVAC-installatie geeft facility managers en eigenaars reële inzichten met betrekking tot de werking van hun systeem, en maakt het mogelijk de impact van meerdere ontwerpen of aanpassingen objectief te vergelijken. Op die manier helpt een digital twin organisaties om de juiste technische en financiële investerings- beslissingen te maken, door een zo onderbouwd mogelijke keuze te maken uit verschillende becijferde scenario’s en zo het risico te verkleinen”, vervolgt Roel Vandenbulcke, oprichter en CEO van Hysopt.

Bij een HVAC-ontwerp moeten energieverbruik, CO₂-uitstoot en investeringskosten zo laag mogelijk liggen, omgekeerd moet het thermisch comfort zo hoog mogelijk zijn. Met een digital twin die dynamische simulaties van systeemprestaties biedt, kunnen meerdere conceptuele ontwerpen objectief vergeleken worden aan de hand van een reeks KPI’s zoals jaarlijks energieverbruik, energiekost, koolstofuitstoot, comfortniveau en kapitaalinvestering.

Een gevoeligheidsanalyse, die automatisch wordt uitgevoerd door de digital twin-software, maakt het bovendien mogelijk het ‘beste’ conceptontwerp te verfijnen, voor een volledige optimalisatie in functie van de primaire focus van de gebouweigenaars en/of – beheerders: kapitaalkosten, koolstofuitstoot of energiekosten. De digitale tweeling biedt ontwerpers zo een technisch hulpmiddel dat innovatie aanmoedigt, terwijl hun klanten volledige transparantie krijgen over wat ze kunnen verwachten, vóór ze een investeringsbeslissing nemen.

Door iteratieve optimalisatie-algoritmes te gebruiken voor het selecteren van hydraulische componenten (pompen, kleppen, de juiste maat leidingen, warmtewisselaars, enzovoort), vervullen digitale HVAC-twins bovendien nog een andere essentiële rol, namelijk: het dichten van de zogenaamde prestatiekloof of ‘performance gap’ tussen het ontwerp en de reële prestaties van de fysieke installatie.

Hoe dat kan? Eenvoudig: giswerk ‘met de natte vinger’, ‘vuistregels’, maar ook de onnodige veiligheidsmarges die bij de traditionele manier van ontwerpen horen, worden allemaal naar de prullenmand verwezen. Dat heeft als bijkomend voordeel dat de initiële kapitaalinvestering bij een nieuwe systeeminstallatie tot 10% lager ligt. Bovendien zijn alle componenten niet alleen correct geselecteerd en gedimensioneerd, het digitale model voorziet installateurs en technici ook van informatie over hoe elke component geconfigureerd dient te worden tijdens de installatie en ingebruikstelling. Dat vermindert het aantal uren op locatie, vermijdt ‘trial and error’ en garandeert dat het as-built ontwerp nauwkeurig overeenkomt met het geoptimaliseerde as-design systeem.

Maar daar houdt het niet op. Ook na de ingebruikname blijft de digital twin zijn nut bewijzen, omdat ze mee kan evolueren met de installatie. Dat wil zeggen dat ze ontwerpers tijdens de volledige levensloop kan blijven informeren en bekrachtigen in het nemen van geïnformeerde, verantwoorde beslissingen met betrekking tot upgrades, aanpassingen en uitbreidingen. Kers op de taart: de meerwaarde die een digital twin oplevert, kan als kostenneutraal beschouwd worden doordat de jaarlijkse besparingen op energie en/of kapitaalinvestering betekenen dat alle kosten snel terugverdiend zijn, zeker met de recente energieprijzen.

Over Hysopt

Hysopt is een spin-off van de Universiteit Antwerpen die in 2013 opgericht werd door Roel Vandenbulcke Het ontwikkelde een wereldwijd unieke ‘physics-based Digital Twin software’ voor de optimalisatie van grote HVAC-installaties, vb. in de gezondheidszorg, het onderwijs, kantoor- en overheidsgebouwen en warmtenetten. Gemiddeld realiseert het met haar oplossing een besparing van 30% op de energiekost en een vermindering van 40% in CO_²-uitstoot.

Dat is mogelijk dankzij doorgedreven analyse en simulaties op systeemniveau, waar vaak sprake is van good components, bad systems: kwalitatieve onderdelen die op een willekeurige manier zijn samengebracht, zonder aandacht voor de fysische processen en dynamieken die daarbij spelen. Met de software kunnen projectontwikkelaars, studiebureaus, installatiebedrijven en facility managers in een virtuele omgeving de prestaties van volledige installaties simuleren en parameters zoals de energiekost, de CO₂-uitstoot en het thermisch comfort voorspellen, om zo tot een optimale configuratie en aansturing te komen.

Sinds de oprichting groeide Hysopt uit tot een onderneming van dertig medewerkers, een aantal dat het in 2023 ambieert te verdubbelen. Behalve in België is Hysopt ook actief in Nederland, Luxemburg en het Verenigd Koninkrijk.